人类相信热力学第二定律，已经两百年。
无论何人, 都必须遵循这条宛如宇宙宪法般的定律。它向我们揭示, 能量转化存在代价, 热始终由高温流向低温, 毫无例外情况。你妄图制造出“永动机”, 这是行不通的。你想要使热机效率超越极限, 这简直是在做梦。
一开始是蒸汽机, 之后是飞机引擎, 再后来有空调, 最后还有火箭, 全人类都在这条法则所形成的阴影笼罩之下从事着打工这份工作。
但最近，有人动手在这块神圣的石碑上刻了一道口子。
而且动手的，不是叛逆的哲学家，而是两个物理学家。
有来自德国斯图加特大学的两人, 其中一人叫埃里克·卢茨, 另一人叫米尔顿·阿吉拉尔, 他们于《 》发表了一篇论文, 其表达的意思颇为直接, 即在原子尺度方面, 卡诺原理已不再适用。
将其翻译为通俗易懂的话语便是, 热力学的第二定律, 仅当处于大世界时才会发挥作用, 一旦抵达原子层面, 它便不再有效了。
这话放在一百年前，估计得被打成异端。
可现如今被量子力学不断颠覆认知的物理学, 直至如今已然习惯于此。原本那个看上去坚不可摧的经典物理, 却出人意料地被一个名为“叠加态”的奇特东西搅得七零八落。而如今, 热力学也未能幸免。人们惊异地察觉到, 一旦将引擎缩小至原子层面, 那些往昔一成不变的规则便开始出现松动。
卢茨和阿吉拉尔研究的是所谓“量子热机”。
别被其名字给唬住, 它的原理实际上颇为简单: 借助两个能级的差值来进行做功, 有那么点类似于一种极为微型的蒸汽机, 只是蒸汽被替换成了量子态。然而, 问题在于, 在这种小型机器之中, 粒子相互之间并非是互不相干的独立个体, 而是存在着某种“量子关联”。这种关联说白了, 就是粒子相互之间有着一种看不见的默契。它们并非是那种你死我活的能量竞争者, 而是好似一对商量好了分工的搭档。
在传统热机之中, 效率的极限乃是由卡诺公式所确定的, 其取决于冷热之间的温差, 温差越大的时候, 效率就会越高, 这是卡诺于1824年计算出来的神奇结论, 人类历经两百年都没能将其推翻, 然而卢茨团队却发现, 要是引擎足够小, 小到能够感受到量子层级那样的关联初中物理热机教学视频，那么“效率”这个词汇的含义就必须重新进行定义。
因为热机不止能从热量里榨能量，它还能从“关联”里榨能量。
换句话说，它能从粒子之间的默契中偷出一点额外的功。
这听起来像作弊234范文网，可数学推导没毛病。
他们凭借理论证实, 这种“关联能”自身能够被转变为机械功。于是, 于量子尺度条件下, 热机效率能够超越卡诺极限。这并非是违背热力学, 而是表明热力学的“版本号过低”, 需要进行更新了 在量子尺度下, 热机效率可以超过卡诺极限。这并不是违反热力学, 而是说明热力学的“版本号太低”, 该更新了。
你可以想象这有多离谱。
问世已达两百年之久的卡诺原理, 始终未曾遭遇过质疑, 它架构起了充当整个热机科学根基的部分, 热力学第二定律在物理领域所处地位宛如神祇一般, 因而任谁均对其不敢轻易触碰, 然而当下, 一个体量微小的原子引擎, 竟然得以实现“超越神明”的壮举, 这情形仿若存在一只蚂蚁向你传达这样的信息: “很是抱歉, 你们人类所进行的数学运算出现了差错。”。
但科学就是这样，它永远在被自己背叛。
物理学史实际上就是一系列“信仰崩塌”这样一个过程, 牛顿已然告知你世界是确定的, 然而后来爱因斯坦却说出那仅仅是近似的情况, 爱因斯坦曾强调说上帝是不掷骰子的, 可是量子力学却凭借实验证实他是错误的, 如今就连像热力学这样的“宏观圣经”, 也不得不于量子那一层面做出让步。
宇宙的规律，并不喜欢被人类用定律关在笼子里。
卢茨于采访当中讲, 他们所开展的研究并非对卡诺原理予以否定, 而是要促使其实现“进化”。
卡诺原理所假设的是大系统, 那是些包含着无数粒子的热机, 只有在那种规模的情况下, 能量交换才会顺从平均规律, 而在原子层面, 粒子数量过少, 个体差异过大, 量子效应开端搅乱局面, 热力学的世界观是连续的、平滑的, 然而量子世界却是离散的、跳跃的, 两种逻辑根本无法彼此对上号。
最有意思的是“量子关联”这件事。
它实际上是一种信息方面的关系, 并非归属于能量范畴, 然而在特定的条件情形之下能够转变成能量。
这件事听起来仿佛是哲学范畴, 但于数学领域却是能够说得通的。粒子相互之间存在着纠缠的情况, 致使系统的整体状态之中涵盖了额外的信息自由度。而这一部分的信息, 要是能够得到巧妙的操控, 便能够被转换成为可以加以利用的功。
这情形如同, 你认定房间之中仅存在着一盏灯, 然而随后有人对你讲, 灯泡的那种“相位关系”居然是能够发光的。
你不理解，但它确实亮了。
从技术角度看，这种理论的意义巨大。
要是我们能够把控这种量子关联, 往后的机器大概不再依据温差, 而是依据量子态的差别。在那个时候, 所说的“引擎”就无需燃料了。一个单原子引擎说不定能够驱使微型机器人于血管之中穿梭, 在人体内部开展精准的手术。
甚至会有那么一天, 我们或许将不再使用“发电”这个词语, 而是会采用“关联提取”。
不过别急着兴奋。
是这么个理儿, 理论归理论着呢, 可要说现实中的实验操作, 那可远远不是就这么简洁。量子系统脆弱得很, 只要存在一丁点儿外界噪声, 稍稍那么一点, 就会把那极为微妙的“同步性”给彻底破坏掉。要达成量子关联的维持, 这就好比在狂风暴雨倾盆之时去点燃火柴一样艰难。
但方向已经确定：热力学的下一个篇章，正在被量子力学重写。
许多人热衷于提出一个堪称哲学范畴的问题, 即是不是物理定律始终保持不变, 或者是由人类所创造发明出来的呢?
这类研究给出了一个模棱两可的答案, 定律的确是存在着, 然而它们仅仅是某一个层面的近似情况。我们于宏观世界里所见到的秩序, 只是众多微观层面混乱状况的平均化结果。
卡诺原理这个概念没被推翻, 第二定律这个概念也没被推翻, 熵增这个概念同样没被推翻, 它们只是少了那种“绝对性”。
真相更复杂，也更迷人。
两百年前，卡诺在蒸汽的嘶鸣声中定义了效率；
两百年后，量子力学在原子的静默里重新定义了能量。
科学没有终点初中物理热机教学视频，只有下一个例外。
当年, 卡诺于他所撰写的论文之中, 写下了这样一句话, 即“没有任何热机能超过这一效率”, 在那个时候, 他毫无疑问是正确的。
但那是站在人类尺度上的对。
在原子尺度上，粒子笑了笑，继续按照自己的节奏运行。
它们从不听命于人类的定律，它们只遵守自然自己的逻辑。
这，就是量子世界的傲慢。
也是科学最迷人的地方：每一次推翻，都是在逼近真理。